Czym są dziwne metale?

Przez prawie 40 lat materiały zwane jako – dziwne metale – wprawiały w zakłopotanie fizyków kwantowych. Badaczom z Nowego Jorku udało się zidentyfikować mechanizm wyjaśniający ich niecodzienne właściwości.

Dziwne metale

Badania prowadzone przez Aavishkara Patela z Flatiron Institute’s Center for Computational Quantum Physics (CCQ) w Nowym Jorku pomogły zrozumieć charakterystyczne właściwości dziwnych metali. Badacze przedstawili uniwersalną teorię wyjaśniającą, dlaczego są one tak niecodzienne. W ten sposób rozwiązali jeden z największych problemów w fizyce materii skondensowanej.

Dziwne zachowanie metali zostało zaobserwowane w wielu materiałach kwantowych, w tym w niektórych, które przy niewielkich zmianach mogą stać się nadprzewodnikami (materiałami, w których elektrony przepływają z zerowym oporem w wystarczająco niskich temperaturach). Ten związek sugeruje, że zrozumienie dziwnych metali może pomóc naukowcom zidentyfikować nowe rodzaje nadprzewodnictwa – jak podaje portal Science.com.

Nowa teoria wyjaśnia wiele niecodziennych zjawisk związanych z dziwnymi metalami, takich jak to, dlaczego zmiana oporności elektrycznej – miara tego, jak łatwo elektrony mogą przepływać przez materiał w postaci prądu elektrycznego – jest wprost proporcjonalna do temperatury, nawet, gdy jest ona ekstremalnie niska. Zależność ta oznacza, że dziwny metal stawia większy opór przepływowi elektronów niż zwykły metal, taki jak złoto lub miedź, w tej samej temperaturze.

Nowa teoria opiera się na połączeniu dwóch właściwości dziwnych metali. Po pierwsze, ich elektrony mogą być ze sobą splątane w mechanice kwantowej, wiążąc swoje losy i pozostają one splątane nawet wtedy, gdy są od siebie oddalone. Po drugie metale dziwne mają niejednolity, przypominający mozaikę układ atomów.

Żadna z tych właściwości sama w sobie nie wyjaśnia niecodziennego zachowania dziwnych metali, ale w połączeniu „wszystko po prostu układa się na swoim miejscu” – mówi Aavishkara Patel.

Splątanie elektronów

.Nieregularność układu atomowego dziwnego metalu oznacza, że splątania elektronów różnią się w zależności od tego, gdzie w materiale ono nastąpiło. Ta różnorodność dodaje losowości do pędu elektronów, gdy poruszają się one przez materiał i wchodzą ze sobą w interakcje. Zamiast płynąć razem, elektrony zderzają się ze sobą we wszystkich kierunkach, powodując opór elektryczny. Ponieważ elektrony zderzają się częściej, im gorętszy staje się materiał, opór elektryczny rośnie wraz ze wzrostem temperatury.

„To wzajemne oddziaływanie splątania i niejednorodności jest nowym efektem; nigdy wcześniej nie było brane pod uwagę w przypadku żadnego materiału. Z perspektywy czasu jest to niezwykle prosta rzecz. Przez długi czas ludzie niepotrzebnie komplikowali całą historię dziwnych metali” – twierdzi Aavishkara Patel.

Patel twierdzi, że lepsze zrozumienie dziwnych metali może pomóc fizykom opracować i dostroić nowe nadprzewodniki do zastosowań takich jak komputery kwantowe.

„Istnieją przypadki, w których coś chce przejść w stan nadprzewodnictwa, ale nie do końca się to udaje, ponieważ jest ono blokowane przez inny konkurencyjny stan. Można więc zapytać, czy obecność tych niejednorodności może zniszczyć te inne stany, z którymi konkuruje nadprzewodnictwo i pozostawić dla niego otwartą drogę” – mówi Aavishkara Patel.

Teraz, gdy dziwne metale są nieco mniej dziwne, nazwa może wydawać się nieodpowiednia. „W tym momencie chciałbym nazywać je niezwykłymi metalami, a nie dziwnymi” – mówi Patel.

Jak badania naukowe zmieniają nasz świat

.Profesor nauk technicznych, wiceprzewodniczący Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych (ERC), Andrzej JAJSZCZYK, na łamach „Wszystko co Najważniejsze” twierdzi, że: „Trudno jest przecenić rolę badań naukowych w tym, co osiągnęła nasza cywilizacja. Wyniki pracy naukowców spowodowały, że żyjemy dziś znacznie dłużej niż jeszcze sto lat temu, głód stał się udziałem wyłącznie osób mieszkających w krajach upadłych i nękanych wojnami, podróże po całym świecie są już dostępne prawie dla każdego, przynajmniej w krajach bogatszych, a tania łączność zmieniła życie miliardów ludzi, nawet w najbiedniejszych zakątkach naszego globu. Dzięki badaniom naukowym nie tylko wiemy, jak żyli nasi przodkowie tysiące lat temu, ale także, jak funkcjonują rynki i co wpływa na nasze zbiorowe działania. Nauka służy także zaspokajaniu naszej zwykłej, ludzkiej ciekawości, przy okazji pozwalając odkrywać rzeczy, które dają szanse na zmianę naszego życia na lepsze. Co prawda nie zawsze chcemy czy umiemy skorzystać z tego, co nam podpowiada nauka, ale w krajach, które to potrafią, żyje się na ogół znacznie lepiej niż tam, gdzie badania naukowe się lekceważy”.

„Niestety, coś, co wielu nazywa postępem, ma też swoje ciemne strony. I jakkolwiek wyniki badań naukowych bywają używane także w złej wierze bądź ich niewłaściwe czy po prostu nierozumne zastosowanie prowadzi do opłakanych skutków, to nikt przy zdrowych zmysłach nie kwestionuje konieczności dalszego prowadzenia badań, chociażby po to, by walczyć ze wspomnianymi skutkami” – pisze prof. Andrzej JAJSZCZYK w tekście „Badania naukowe zmieniają nasz świat„.

Oprac. Emil Gołoś